Использование инфразвука в качестве способа интенсификации химико-технологических процессов

Методы звукохимии

Для изучения звукохимических реакций применяют следующие методы: обратный пьезоэлектрический эффект и эффект магнитострикции для генерирования высокочастотных звуковых колебаний в жидкости, аналитическая химия для исследования продуктов звукохимических реакций, обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля (используется в акустических излучателях, в системах механических перемещений - активаторах).

Магнитостри́кция - явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются (используют для генерации ультразвука и гиперзвука).

Инфразву́к - звуковые волны <http://www.quickiwiki.com/ru/%D0%97%D0%B2%D1%83%D0%BA>, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. Поскольку обычно человеческое ухо способно слышать звуки в диапазоне частот 16-20'000 Гц <http://www.quickiwiki.com/ru/%D0%93%D0%B5%D1%80%D1%86_%28%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%29>, за верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц.

Инфразвук обладает целым рядом особенностей, связанных с низкой частотой колебаний упругой среды: имеет гораздо большие амплитуды колебаний; гораздо дальше распространяется в воздухе, поскольку его поглощение в атмосфере незначительно; проявляет явление дифракции, вследствие чего он легко проникает в помещения и огибает преграды, задерживающие слышимые звуки; вызывает вибрацию крупных объектов вследствие резонанса [2].

волна ультразвук химический кавитация

Использование инфразвука в качестве способа интенсификации химико-технологических процессов

Физическое воздействие на химические реакции в данном случае осуществляется в инфразвуковых аппаратах, - устройствах, в которых для интенсификации технологических процессов в жидких средах используются низкочастотные акустические колебания (собственно инфразвуковые частотой до 20 Гц, звуковые частотой до 100 Гц). Колебания создаются непосредственно в обрабатываемой среде с помощью гибких излучателей различной конфигурации и формы или жестких металлических поршней, соединенных со стенками технологических емкостей через упругие элементы (напр., резиновые). Это дает возможность разгрузить от колебаний источника стенки инфразвукового аппарата, значительно уменьшает их вибрацию и уровень шума в производственных помещениях. В инфразвуковых аппаратах возбуждаются колебания с большими амплитудами (от единиц до десятков мм).

Однако малое поглощение инфразвука рабочей средой и возможность ее согласования с излучателем колебаний (подбор соответствующих параметров источника) и размерами аппаратов (для обработки заданных объемов жидкости) позволяют распространить возникающие при воздействии инфразвука нелинейные волновые эффекты на большие технологические объемы. Благодаря этому инфразвуковые аппараты принципиально отличаются от ультразвуковых, в которых жидкости обрабатываются в небольшом объеме.

В инфразвуковых аппаратах реализуются следующие физические эффекты (один или несколько одновременно): кавитация, высокоамплитудное знакопеременное и радиационное (звукового излучения) давления, знакопеременные потоки жидкости, акустические течения (звуковой ветер), дегазация жидкости и образование в ней множества газовых пузырьков и их равновесных слоев, сдвиг фаз колебаний между взвешенными частицами и жидкостью. Эти эффекты значительно ускоряют окислительно-восстановительные, электрохимические и другие реакции, интенсифицируют в 2-4 раза промышленные процессы перемешивания, фильтрования, растворения и диспергирования твердых материалов в жидкостях, разделения, классификации и обезвоживания суспензий, а также очистку деталей и механизмов и т.д.

Применение инфразвука позволяет в несколько раз снизить удельные энерго- и металлоемкость и габаритные размеры аппаратов, а также обрабатывать жидкости непосредственно в потоке при транспортировании их по трубопроводам, что исключает установку смесителей и других устройств [2].

Рисунок 3 - Инфразвуковой аппарат для перемешивания суспензий: 1 - мембранный излучатель колебаний; 2 - модулятор сжатого воздуха; 3 - загрузочное устройство; 4 - компрессор

Одна из наиболее распространенных областей применения инфразвука - перемешивание суспензий посредством, например, трубных инфразвуковых аппаратов. Такая машина состоит из одного или нескольких последовательно соединенных гидропневматических излучателей и загрузочного устройства.